（计算机应用技术专业论文）机车大功率变流器件自动测试系统的研制.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 机车交流器是机车进行电能形式转换的关键部件。铁路电力机车、电传动内 燃机车依靠它来进行电能形式转换。机车变流器的正常运行，是机车安全运行的 重要保证。机车大功率变流器通常由多个大功率电力电子器件串并联组成。在机 车交流器检修过程中，对机车大功率电力电子器件进行性能测试是一项重要的工 作：一是直接检查器件本身是否合格，二是为串并联的电力电子器件配对。 本文结合实际的科研课题和生产需要，为铁路机务段研制机车大功率电力电 子器件自动测试系统。 论文首先介绍了我国目前主流电传动内燃机车和电力机车主变流器的结构， 大功率电力电子器件串联、并联的主要方式以及主要技术指标，提出了测试系统 的设计思路，通过测试方案比较和研究，主控制系统选择了通用型工控微机，器 件性能的测试采用全动态测试方法，测试过程包括大功率整流器件正向测试、门 极测试和反向测试三个主要过程，电压传感器采用机车专用的霍尔电压传感器， 电流传感器则采用了进口的l e m 电流传感器。 论文详细介绍了大功率电力电子器件自动测试系统的工作原理和组成，全动 态测试整流器件主要参数的方法，进行了测试系统主电路、保护电路设计和电气 设备的参数设计、工控机接口电路设计，采用f i r 数字滤波技术和数字积分分离 p i d 控制算法进行测试系统的数字采样及电压、电流控制，应用小波变换技术良 好的时频局部化特性和多分辨率分析特性，实现大功率电力电子器件的自动故障 诊断，以及通过工控机上的v i s u a lc + + 6 0 软件编程实现测试系统的全自动化 测试和控制。 关键词：功率器件，测试系统，数字滤波，p i d 控制 m a s t e r1 3 i s s er ，n 玎i o na b s t r a c t a b s t r a c t t h el o c o m o t i v ec o n v e r t e ri st h ek e yp a r tw h e nt h el o c o m o t i v ei sc a r r y i n go nt h e e l e c t r i c e n e r g y f o r mt o c h a n g e r a i l w a ye l e c t r i cl o c o m o t i v e ，d i e s e l e l e c t r i c l o c o m o t i v ea n dr e l yo ni tt oc a r r yo l lt h ee l e c t r i ce n e r g yf o r mt oc h a n g e t h en o r m a l r u n n i n go f t h el o c o m o t i v ec o n v e g e r i sa l li m p o r t a n ti n s u r a n c eo f t h es a f eo p e r a t i o no f t h el o c o m o t i v e t h el o c o m o t i v eh i 曲- p o w e rc o n v e r t e ri su s u a l l ym a d eu po fal o to f h i g h - p o w e re l e c t r i ce l e c t r o n i cd e v i c es e r i e s p a r a l l e lc o n n e c t i o n s i nt h eo v e r h a u l e d c o u r s eo ft h el o c o m o t i v ec o n v e r t e r , i ti sa ni m p o r t a n tj o bt oe a r l yo nt h ef u n c t i o nt e s t t ot h ee l e c t r i ce l e c t r o n i cd e v i c eo ft h eh i g h - p o w e ro ft h el o c o m o t i v e ：f i r s t ，c h e c k d i r e c t l yw h e t h e rt h ed e v i c ei t s e l fi sq u a l i f i e d ，s e c o n d ，m a t ef o rt h ee l e c t r i ce l e c t r o n i c d e v i c eo f t h es e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i o n t h i st e x tc o m b i n e sr e a ls c i e n t i f i cr e s e a r c ht a s ka n dp r o d u c t i o nf o rn e e d ，d e v e l o p t h ea u t o m a t i c a l l yt e s ts y s t e mo f t h ee l e c t r i ce l e c t r o n i cd e v i c eo f t h eh i g h p o w e ro f t h e l o c o m o t i v ef o rt h el o c o m o t i v ed e p o to f t h er a i l w a y a tf i r s tt h et h e s i sh a sr e c o m m e n d e dt h em a j o rd i e s e le l e c t r i cl o c o m o t i v ea tp r e s e n t o fo u rc o u n t r ya n dt h es t r u c t u r a lo ft h em a i nc o n v e r t e ro fe l e c t r i cl o c o m o t i v e ，t h e m a i nw a yo fs e r i e sa n dp a r a l l e l ，a n dm a i nt e c h n i c a li n d i c a t o ro ft h ee l e c t r i ce l e c t r o n i c d e v i c eo fh i g h p o w e r , p u tf o r w a r dt h es y s t e m a t i cm e n t a l i t yo fd e s i g n i n go ft e s t i n g ， c o m p a r ea n ds t u d yb yt h es c h e m eo ft e s t i n g t h em a i nc o n t r o ls y s t e mc h o o s ei n c o m m o nu s ew o r k e ra c c u s eo f c o m p u t e r , i ta d o p t st ob ea l ld y n a m i cm e t h o do f t e s t i n g t ot e s tt h ed e v i c e t e s tc o u r s ei n c l u d i n gt h r e em a i nc o u r s e s ：h i g h p o w e rr e c t i f i c a t i o n d e v i c et ot e s t ，d o o rt e s ta n dr e v e r s et e s t t h ev o l t a g es e n s o ra d o p t st h es p e c i a ls e n s o r o f v o l t a g eo f h a l lo fl o c o m o t i v e t h ee l e c t r i cc u r r e n ts e n s o rh a sa d o p t e dl e me l e c t r i c c u r r e n ts e n s o ri m p o r t e d 、 t h et h e s i sh a si n t r o d u c e di nd e t a i lt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ee l e c t r i ce l e c t r o n i c d e v i c eo fh i g h - p o w e ra u t o m a t i c a l l yt e s t ss y s t e m a t i c ，a n dt h em a i np a r a m e t e rm e t h o d o ft e s tt h er e c t i f i c a t i o nd e v i c ec o m p l e t e l yd y n a m i c a l l y a n di td e s i g n e dt h em a i n p a r a m e t e ro f t e s tt h em a i nc i r c u i to fs y s t e m ，p r o t e c tt h ec i r c u i t i ta d o p t e df i rd i g i t a l f i l t e rt e c h n o l o g ys e p a r a t e df r o md i g i t a lt o t a lm a r k p i dc o n t r o la l g o r i t h mi si tt e s tt h e s y s t e m a t i cf i g u r es a m p l ea n dt h ev o l t a g e ，e l e c t r i cc u r r e n ta r ec o n t r o l l e dt oc a r r yo n ， l o c a l i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dl a r g er e s o l u t i o nr a t i o sa n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n t l yw h e nu s i n gl i g h tw a v eg o o dt ov a r yt e c h n o l o g y ，r e a l i z eh i g h - p o w e re l e c t r i c a u t o m a t i ct r o u b l eo fe l e c t r o n i cd e v i c ed i a g n o s e t h r o u g ht h ev i s u a lc + + 6 0s o f t w a r e p r o g r a m m i n g r e a l i z a t i o nt e s t ss y s t e m a t i cf u l l a u t o m a t i o nt ot e s ta n dc o n t r 0 1 k e yw o r d sp o w e rd e v i c e ，t e s ts y s t e m ，d i g i t a lf i l t e r , p i dc o n t r o l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者：( 2 查兰年丝月竺笠日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作名日期：堕年旦月皇生日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 目前铁路电力机车和内燃机车都广泛采用大功率变流器件将交流电转换成 直流电，但是由于机车功率高达数千千瓦，现有的大功率整流元器件都无法单 个承受这么高的电压和电流，因此，整流设备常采用多个变流器件串并联以提 升通过的电流量和能够承受的电压值。这种运行方式就要求串联的变流器件均 压情况较好，并联的变流器件均流情况较好，所以，就必须对变流器件的主要 参数进行测试和记录。 1 1大功率变流器件的发展概况 晶闸管、二极管是大功率的电力半导体器件。整流器件首先应用于小功率 领域，1 9 5 0 年在美国贝尔电话公司的实验室里制成了晶闸管的雏形，1 9 5 7 年通 用电器公司制出了晶闸管的商品元件。1 9 5 8 年从通用电器公司在此基础上正式 研制成功第一个工业用的晶闸管，从此大大扩展了半导体器件功率控制的范围。 电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体器 件组成的变流器时代，晶闸管为电力电子学科的建立立下了汗马功劳。至今晶 闸管及其派生器件仍广泛应有于各种变流器，并且还在继续发展。晶闸管具有 体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等特点，用它构成的变流装置具有 可靠性高、寿命长、容易维护等优点，特别是它可节约能源，所以得到飞速的 发展。 我国自1 9 6 0 年试制成功硅整流管和1 9 6 2 年试制成功晶闸管以来，以晶闸 管为主体的变流技术有了很大的发展，产品产量大幅度上升，器件质量也有较 大的提高，派生型晶闸管，如快速、双向、可关断和逆导器件，也有较快的发 展。近十年来经过设计、工艺、测试、可靠性以及工艺装备等方面的研究，器 件的容量定额大大提高。过去，我国生产的硅变流器件额定电流较小，一般不 超过2 0 0 安培，因此，机车整流器的每一个桥臂需要并联十几个甚至更多硅元 件，以至均流度不高，危及整流器安全运行。随着科学技术进步，工艺制造水 平的提高，大功率、大电流平板式硅元件的相继问世，较好的解决了整流器均 硕士学位论文第一章绪论 流度偏低的问题，使整流效率，输出电流大幅度提高。 1 2 内燃机车和电力机车上的变流装置 无论是在内燃机车或是在电力机车上，都需要将交流电转换为直流电。而 且通电电流和电压都很大，应此需要很多的变流器件串、并联，组成一个大功 率整流装置。如东风4 型内燃机车上的硅整流柜以及韶山系列电力机车上的变 流柜，下面将介绍这两种整流装置。 1 2 1 硅整流柜【2 l 在东风系列内燃机车上，应用了很多的整流装置，它们大部分连接成三相 桥式全波整流电路的形式，如主电路的整流装置、励磁整流装置、牵引发电机 信号整流装置、永磁式三相交流发电机的整流装置等，下面主要介绍主电路的 整流装置硅整流柜。硅整流柜内元件接线如图1 1 ： 东风4 型内燃机车上的硅整流装置共采用了三十六个硅变流器件( 硅二极 管) 。三十六个元件共组成六个桥臂，每一个桥臂有六个元件并联使用。 o 、 。_ 一 1 一f l l dl 副u h l dl dl d t w t l d l 剖 - 卜 卜j r t u ( 一l dl d l dl dl d t h t u 卜 卜fl dl 副 一( ；茳)一一氆 图1 1硅整流柜内元件接线原理图 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 变流柜3 】 t g z 4 b 型变流装置( 简称4 b 变流装置) 是s s 。型电力机车的主要部件。 它是在s s 。和s s 。改电力机车变流装嚣成功运用的基础上研制的。该装置由大 功率整流关和晶闸管及其附件所组成，具体有以下功能部分： 供给牵引电动机牵引整流和控制电压调节或制动整流和相控电流加锁功 能部分： 功率因数补偿装置的晶闸管开关功能部分； 电阻制动励磁电源功能部分。 t g z 4 b 型变流装置全台机车由四个变流柜组成，变流柜分为i 端柜和i i 端 柜，每个柜由主晶闸管、主整流管、触发脉冲输出部分、r c 保护、快速熔断等 组成，下图为变流装置主电路接线原理图( 如图1 2 所示) 二二爵二l 制一l 口i 目ii q 1 ：l ! ! i ! 一ii 兰：一f ! i1 ：i 二：l 二il 二： ” i 一l 一“ 一 l _ | 二 | i 二i 习：! 皇 n 、lh ir h 1l h 。l ”。 i ”。l 兰一 图1 2变流装置主电路接线原理图 半导体组件布置在变流柜的前后两，共两排。左右有五列，上下共四层。 从上往下第一、三层为主桥半导器件。与晶闸管对应的第二层是与之串联的短 路保护用快速熔断器。底层左边是功率因数补偿晶闸管开关，右边是励磁元件 及其保护用快速熔断器。每个变流柜含有一个不等分三段桥的1 2 个主晶闸管和 l o 个主整流管：两组功率因数补偿开关的四个晶闸管，以及励磁桥的两只晶闸 管和两只整流管。i 端柜共有3 0 个半导体器件，i i 端柜没有励磁桥，共计2 6 个元件。 从上面两种典型机车车型的变流装置主电路可以看出，晶闸管或二极管的 硕士学位论文 第一章绪论 串、并联运行是现场常用的方式，这种运行方式最关键的技术就是要保证串联 的晶闸管有较好的均压系数，并联运行的晶闸管有较好均流系数，这就要求有 一套专用设备能比较准确地模拟机车运行的情况下测试晶闸管主要参数，如晶 闸管的导通电压、反向漏电流等，挑选参数基本一致的晶闸管组成对管，实现 主变流器有较好的均压和均流特性。 4 硕士学位论文第二章大功率变流器件的性能测试 第二章大功率变流器件的性能测试 给大功率变流器件加上不同的直流电压，测量其对应的电流值，可以作出 大功率变流器件的伏安特性。 2 1 大功率变流器件的伏安特性【4 2 1 1 硅整流管的伏安特性 硅整流管的伏安特性曲线，如图2 1 所示。对应于b 点电流称为正向平均 电流，它是半个周期里流过硅整流管的电流在一个周期内的平均电流值，此时 对应电压大约o 4 5 一o 5 5v 左右。u 。为正向平均电压( 正向压降) ，是正半 周电压降在一个n i t 0 内的平均值，即实际电压的一半左右。u 。为反向重复峰 值电压，对应的电流，。为反向重复峰值电流( 也称漏电流) 。 。啪l l “o刁凸一 沙一 ku f 面n 帖 图2 1硅整流管的伏安特性曲线 正向特性，正向电流超过某一数值后，爿有明显的正向电流，该电压值称 为导通电压。正向导通且电流不大时，硅管的压降约为0 6 o 8 。 反向特性，d , i j j 率硅管的反向电流一般小于l g a 。 反向击穿，反向击穿电压一般大于3 0 0 0 v 。 2 1 2 晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性曲线，如图2 2 所示。其反向特性与硅整流管一样。正 向特性则为：正向电压在一定限度内，门极电流如等于0 时，晶闸管与硅整流 硕士学位论文第二章大功率变流器件的性能测试 管的反向特性相似。呈现阻断状态( 0 a 段) ，当正向电压超过一定限度( a 点) 时，漏电流增大，晶闸管突然变为导通，此时电压叫做正向转折电压。，正 常工作时，达到规定的电流使晶闸管导通。u ，点为正向通态平均电流时的 正向平均通态电压。 乓吣。 c ，、 “o。，一 u 。，若外施电压继续升高，则啊j 首先转折，于是全部电压加在啊上， 势必使旧也转折，两个器件都失去控制作用。同理，反向时，因不均压，可能 使其中一个变流器件反向击穿，另一个即随之击穿。 通常用均压系数k “衡量各串联器件均压的程度，其定义为： 伽器 m ， 硕士学位论文第二章大功率变流器件的性能测试 式中：u r 为所有串联器件承受的电压总和； u 一“为所有串联器件中分担最大电压的数值；”s 为串联器件数； k “一般用百分比表示，k u 越接近1 0 0 ，则均压越好。 为了均压，首先应选用通态平均电压比较一致的整流器件，另一方面，需 用电阻均压，如采用图中的r ，r ，的阻值应比任何一个串联器件阻断时的正、 反向电阻都小得多，这样，每个串联晶闸管分担的电压主要决定于均压电阻的 分压，根据预定的均压系数，r 。可按下式计算： r p 3 0 0 0 a ，电压l v 一5 v 高压变压器 4 k v a最大电压 3 0 0 0 v ，电流 l o o m a 工控微机 p 1 v 研祥工控，支持热拔插，液晶显示器 工控板 1 2 位 研祥工控，3 2 通道，隔离5 0 0 v d c 高压 电压传感器霍尔式 机车专用，精度0 5 电流传感器霍尔式l e m ，精度0 5 硕士学位论文第四章计算机控制系统 第四章计算机控制系统 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在 生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重 要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的， 例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息用计算机处理就必须先将这些 连续的物理量离散化，并进行量化编码，滤波，最后实现计算机控制【l 9 1 。 在工控设备中，由于工业现场的环境比较恶劣，采集获得的信号量必定会 有干扰信号，要减小这些干扰有两种办法，一种是使用d s p 开发出专门的数字 处理电路，但这一种方法需要的成本比较大，对于用量很小的场合是很不经济 的；另一种方法是由计算机获得信号后再进行适当的处理，这样就可以很灵活 地实现多种功能，现在市场上有大量的通用采集卡，这种采集卡价格便宜，通 过在前端加入接口电路后能应用于各种各样的场合，但其抗干扰能力还不是很 强，而且其功能单一，由于加入硬件滤波电路会造成信号相位的偏移，不能满 足测试系统的要求，因此，比较实用的方法就是将数字信号处理技术直接应用 于软件算法中。图4 1 为数字控制系统的结构框图。 图4 1数字控制系统的结构框图 本章就数字采样滤波、数字p i d 控制器、功能测试模块和显示模块四部分 进行设计。 4 1数字采样与滤波 工控系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量的测 试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据处理的速度不 仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据处理系统的适用范围，便于实现 动态测试【2 0 】。 硕士学位论文第四章计算机控制系统 4 1 1 信号采样2 采样方式可分为两大类：实时采样和等效时间。对于实时采样，当数字化 一开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化，然后，经过一个采样间 隔，再采入第二个子样，这样一直整个信号波形数字化后存入存储器中。实时 采样优点在于信号波形一到就采入，因此适应于任何形式的信号波形，重复的 或不重复的，单次的或连续的。由于所有采样点是以时间为顺序的，因而易于 实现波形显示。当然这种实时并不是严格意义上的实时，它实际上有一定的时 延，只要这个时延能满足实际需要就行了，具体时延与选择的采样方式以及后 续的数据处理有关。 正弦信号以r 为采样周期对正弦波离散化，得到正弦波的离散信号为： y ( n t ，) = a s i n ( 2 n f n t , + 妒)( 4 - 1 ) 正弦波采样定理：对于正弦波y ( f ) ，以t 为采样周期获得离散信号y ( n t ，) ， 则：当厂 寿时，由x ( ”i ) 可以惟一地确定y ( ，) 当厂寿时，由y ( t ) 不能 惟一地确定y ( t ) ，即不能确切的恢复原始正弦波x ( ，) 。 把采样频率，的一半称为折叠频率 ，又称奈魁斯特( n y q u i s t ) 频率，即 = 士工。当f 击会有假频信号厶，它和原来频率高于折叠频率的连续信号 厶是关于厶对称的。 根据采样定理以及工控计算机的实际工作情况，系统设计采样频率为： l k h z 。采用v i s u a lc + + 程序语言编程，利用系统媒体定时器实现测试输出量的 实时采样，软件设计为： # d e f i n et i m e ra c c u r a c y2 定时器精度，单位是m s # d e f i n em a x t i m e s15 采集次数 u i n tt i m e ri d ： 定时器标识 u i n tw a c c u r a c y ； 定时器精度参数 t i m e c a p st i m e c a p s ；定时器分辨率的结构 i f ( t i m e g e t d e v i c e c a p s ( & t i m e e a p s ， 硕士学位论文 第四章计算机控制系统 s i z e o f ( t i m e c a p s ) ) - - t i m e r r _ n o e r r o r ) 廒得本系统的最小定时器分辩率 i f ( t i m e c a p s w p e r i o d m i n g e t s a f e h w n d ( ) ，w m m y m e s s a g e ，0 ，0 ) ； u t e s t l n d e x = m a x t i m e ； ) 定义一全局回调函数，实现数据采集，当每通道采集m a x t i m e 个数据后向视图发一自 定义消息 一 4 1 2 数字滤波盼2 3 数字滤波器有两种常用模式，即有限长单位冲激响应( f i r ) 滤波器和无限长 冲激响应( i i r ) 滤波器，它们的主要区别如以下几点： f i r 滤波器有精确的线性相位响应。这种滤波器不会导致相位失真，这一点 在很多应用中是非常重要的，例如数据传输、生物医学以及图像处理。i i r 滤波器的相位相应是非线性的，特别是是在通带的边界： f i r 滤波器的实现是非递归的， n 一1 它可以由公式y ( ”) = z h c k ) x ( 一一女) 直接计 ；o 算，总是稳定的。i i r 的稳定性不能得到保证： f i r 滤波器对有限位的数据进行滤波产生的影响( 如舍入误差和系数量化错 误) 比i i r 要少得多； 当要求有很陡的截止频率时f i r 滤波器比i i r 滤波器需要更多的系数，这 样对于某一给定的幅频特性，f i r 滤波器要做到这一点就需要花费掉处理器 更多的时间和存储器； 模拟滤波器能够迅速地转换成等价的有相似特性地i i r 数字滤波器。这对于 f i r 滤波器来说是不可能的，它没有模拟对等的滤波器。然而，f i r 能很容 易地合成并成任意频率响应的滤波器； f i r 滤波器可得到严格的线性相位，而i i r 滤波器则做不到这一点，i i r 滤 波器选择性愈好，则相位的非线性愈严重，因而，如果i i r 滤波器要得到线性 相位，又要满足幅度滤波的技术要求，必须加全通网络进行相位校正，这同样 会大大增加滤波器的阶数，从这一点上看，f i r 滤波器又优于i i r 滤波器【2 4 , 2 5 】。 由上可知，使用计算机来实现滤波器的功能采用f i r 滤波器较为理想。对 硕士学位论文 第四章计算机控制系统 于工控设备，稳定的运行是最重要的，因此，本系统采用了f i r 滤波器完成滤 波功能。 从设计上看，f i r 滤波器一般没有现成设计公式，窗函数法只给出窗函的 计算公式，但计算通带、阻带衰减仍无显示表达式。一般f i r 滤波器设计只有 计算机程序可以利用，因而要借助于计算机。 ( 1 ) 、f i r 滤波器的特点f 2 7 】 f i r 滤波器的单位冲激响应h ( n ) 为一个n 点序列，0 h n ，则滤波器的系 统函数为： 一l ( z ) = ( 月) z ” ( 4 - 2 ) 表明它有( n 1 ) 阶极点在z = 0 处，有( n - 1 ) 个零点位于有限z 平面的任何位置。 如果f i r 滤波器的单位抽样响应 ( ) 为实数，而且满足以下任一条件： 偶对称 ( n ) 。h ( n 一1 一 ) 奇对称 ( 盯) h ( n 1 一”) 其对称中心在n 2 学处，则滤波器就具有准确的线性相位。 将频率响应何( e ”) 表示成： h ( e q = h ( c o ) e 8 “ ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 其中h ( c o ) 是幅度函数，它是一个纯实数，可以包括正值和负值，即 h ( c o ) = i ( e 。) i ，口洄) 是相位函数。 ( 行) 偶对称的情况，则 ( n ) h ( n 1 n ) h ( ) ：兰 ( ) 。o s 贮；- 一甩b 】h ( ) = ( ) c 一甩m 臼( ) = 一( 学) 当 0 ) 奇对称的时，同理可得： ( 4 - 6 ) ( 4 7 ) ( 4 - 8 ) 疬士学位论文 第四章计算机控制系统 样。 令 h ( c o ) ：艺坳) 。i 。晔一。b = ( ”) sn 晔一n b ( 4 - 9 ) o ( c o ) 一睁) + 号 ( 4 1o ) ( 2 ) 、频率抽样设计法 频率抽样法是从频域出发，把给定的理想频率响应h 。( p ”) 加以等f q 隔抽 h d ( e 。) i 。导女2h d ( ) ， 然后以此h 。( ) 作为实际f i r 数字滤波器的频率特性的抽样值h ( k ) ，即 日( 女) = h d ( t ) = h d ( p ”) i 。：罂l ，k = 0 , 1 ，n 一1 ( 4 - 1 i ) 知道h ( k ) 后，由d f t 定义，可以用频域的这n 个抽样值来唯一确定有限 长序列h ( n ) ，利用这n 个频域抽样值h ( k ) 同样可求得f i r 滤波器的系统函数 h ( z ) 及频率响应1 - 1 ( e ”) ，它们将分别逼近h 。( z ) 和。( e ”) 。 h ( z ) = 警器 = 0 一l h ( e ”) = h ( 渺b 一鲁女) 其中妒0 ) 是内插函数妒0 ) = 古：鞯e 一 f 4 - 1 2 ) ( 4 - 1 3 ) f 4 - 1 4 ) 将( 4 1 4 ) 式代入( 4 1 3 ) 式，化简后可得 h ( e j a , 一一j 睁i ”吾n - i 晰古e 碍尝铲 ( 4 - 1 5 ) 从内插函数( 4 1 4 ) 我们看到，在各频率抽样点上，滤波器的实际频率响 应是严格地和理想频率响应数值相等，即h ( e 母) ：( 七) = h 。( ) = h 。( p 7 导) 。 但是在抽样点之间的频向则是由各抽样点的加权内插函数的延伸叠加而形成， 因而有一定的逼近误差，误差大小取决于理想频率响应曲线形状，理想频率响 应特性变化越平缓，则内插内值越接近理想值，逼近误差越小。 对h 。( p ”) 进行频率抽样，就是在z 平面单位圆上的n 个等间隔点上，抽 硕士学位论文 第四章计算机控制系统 取出频率响应值。在单位圆上可以有两种抽样方式，第一种是第一个抽样点在 = 0 处，第二种是第一个抽样点在= 号处，每种抽样方式可分为n 是偶数与 n 是奇数两种。 第一种频率抽样就是前面讨论的抽样： h ( 女) = h d ( ) = h d ( p 7 。) i 。；舡，k = o ，1 一l ( 4 - 1 6 ) 其内插公式和( 4 1 2 ) 式相同。 第二种频率抽样满足： h ( 女) = h 一( 七) 2 乩( 8 ”) j 。寺 + 专 ：n - ia ( ”，x 。- j 等( k + 伽 ：芝b 。和 。铷七- o ，1 ，。v 一1 求离散傅里叶反换可得 h ( n ) e - j 和：专n - ih ( 尼) e ，枷 h = 0 由此可得出 ：。n “- l 。，j 等 ( ) = 厶“。i ”+ 护 n = 0 求此 ( ) 的z 变换可得 hcz)=薹古窆，ct，ej警“+。1z-l k = 0 j h ( z ) = l 古h ( t ) e 箐 抄 n = o = 孚善旒；0 l e “： 在单位圆z = 上计算，即得频率响应 h ( e j w ) = 譬e 荟n - i 等- i 鹅i - k + ! r 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) r 4 1 9 ) ( 4 - 2 0 ) ( 4 2 1 ) ( 4 0 ) 及( 4 2 1 ) 两式就是由第二种理想频率抽样得到f i r 滤波器系统函数 h ( z ) 和频率响应h ( e ”) 的公式。 3 0 硕士学位论文 第四章计算机控制系统 ( 3 ) 、f i r 低通滤波器设计 本系统设计了一个低通滤波器，抽样频率为1 0 0 0 h z ，抽样点数为1 5 ，且 各抽样点的值如下： i h ( k ) l = l k = o ，l ，2 ，3 0 5 5 7 1k = 4 0 0 8 4 1k = 5 0 k = 6 , 7 利用偶对称n 为奇数的公式( 4 1 8 ) 可求出滤波器系数。 ( 1 ) = h ( 15 ) = 一0 0 0 0 11 2 8 3 ； ( 2 ) = h ( 1 4 ) = 一0 0 0 0 6 4 8 8 9 h ( 3 ) = h ( 1 3 ) = o 0 0 1 6 6 0 7 ；h ( 4 ) = h ( 1 2 ) = o 0 1 2 8 0 2 ( 5 ) = h ( 11 ) = 一0 0 2 9 9 2 ；h ( 6 ) = h ( 1 0 ) = o 0 5 7 1 3 4 h ( 7 ) = h ( 9 ) = 0 2 7 7 7 5：h ( 8 ) = o 5 9 0 9 9 滤波器的幅频特性曲线如图4 2 所示： 图4 2f i r 低通滤波器幅频特性曲线 很明显此种滤波器能够很好地消除4 0 0 h z 以上的干扰信号，特别是 2 3 5 k h z 的干扰信号。 4 2 数字p i d 控制2 8 数字p i d 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在大功率变流 器件测试系统中为实现较精确的控制目的，系统采用了数字p i d 控制方法，控 制目标主要是实现无差、快速和抑制在试验过程中的哆，和。 硕士学位论文第四章计算机控制系统 4 2 1p i i ) 控制原理【2 9 常规的模拟p i d 控制系统原理框图如图4 3 所示，系统由模拟p i d 控制器 和被控对象组成。 图4 3模拟p i d 控制系统原理图 p i d 控制器是一种线形控制器，它根据给定值，( f ) 与实际输出值c ( f ) 构成控 制偏差： e ( t ) = r ( o c ( t ) ( 4 2 2 ) 将偏差的比例、积分、微分通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控 制，其控制规律为： 郦) = 器= k p ”去哪) ( 4 - 2 3 ) 4 2 2 数字p i d 控制算法 3 0 , 3 1 1 在大功率变流器件测试系统中采用计算机控制，采用的控制算法是数字 p i d 控制算法。数字p i d 控制算法通常有位置式p i d 控制算法、增量式p i d 控制算法、积分分离p i d 控制算法【3 2 】和遇限削弱积分p i d 控制算法，在大功率 变流器件测试中考虑到测试过程的可靠性和安全性，测试系统采用了积分分离 p i d 控制算法，这种控制算法的优点是既保持了积分作用，又减少了超调量【3 ”。 计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量1 3 ， 因此式4 2 2 中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理，按式4 2 2 模拟p i d 控制算法，现以一系列的采样时刻 r 代表连续时间t ，以和式代替积 分，以增量代替微分，可得离散的p i d 表达式： 硕士学位论文 第四章计算机控制系统 u ( k t ) = k p ( 灯) + k ，p ( 女丁) + k 。( e ( k t ) - e ( k t r ) ) ( 4 - 2 4 ) 式中：k 一采样序号，k = 0 ，1 ，2 ，3 ； 。u ( k t ) 一第k 次采样时刻的计算机输出值； e ( k t ) 一第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k t t ) 一第k 一1 次采样时刻输入的偏差值； 铲坝分系数一= 一： k 。微分系数，k 。= k ，弓孑。 为保证控制的精度，采样周期r 必须足够的短，在本系统中，采样频率为 1 七月z 。 由于普通的p i d 数字控制器在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短 时间内系统输出有很大的偏差，会造成p i d 运算的积分积累，致使算得的控制 量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超 调，甚至引起系统震荡，这在本系统中是绝对不能允许的。积分分离p i d 控制 算法，人为地设置一个阀值，当偏差值大于阀值时，系统采用p d ，可避免过大 的超调，又使系统有较快的响应速度；当偏差值小于阀值时，系统采用p i d 控 制算法，可保证系统的控制精度。其具体算法为： 根据实际情况，认为设定一个阀值：占0 ； 当l e ( k t ) l 占时，采用p d 控制算法； 当l e ( k t ) l 占时，采用p i d 控制算法。 控制算法为： 书- i 矧薹 z s ， 式( 4 - 2 4 ) 写成积分分离形式即为： u ( k t ) = k p ( 女7 1 ) + k ，p ( 女丁) + k 。( e ( k t ) - e ( k t 一丁) ) ( 4 - 2 6 ) 当l e ( k t ) l s ，取= 0 ，进行p d 控制，p d 控制算法为m 硕士学位论文 第四章计算机控制系统 “( 七) = k ，p ( 女) + - 等r e ( | j ) 一e ( 七一1 ) 】 u ( k ) = ae ( k ) 一be ( k 1 ) 热爿+ 喝( 1 + 争 b ：k 。量 。丁 ( 4 2 7 ) ( 4 2 8 ) 当l e ( k t ) l 占时，取= 1 ，进行p i d 控制，p i d 控制算法采用增量式p i d 控制算法，即【3 2 】【3 3 】： “( t ) = a e ( k ) + u ( k 一1 ) 一b e ( k 一1 ) + c e ( k 一2 ) = a e ( k ) + g ( k 一1 、 热爿喝( 专+ 争 b 瑙( 1 + 2 争 c 喝争 g ( t ) = u ( k ) 一b e ( k ) + c e ( k 一1 ) ( 4 2 9 ) 有了式( 4 2 6 ) 和式( 4 2 9 ) ，便可编出计算机的控制程序，其控制程序框 图如图4 4 所示： 硕士学位论文第四章计算机控制系统 4 2 3p i d 控制参数选择 图4 4p i d 控制程序框图 大功率变流器件性能测试控制系统主要由工业控制计算机、三相调压电动 机、单相调压器，大电流变压器或升压变压器组成，测试系统采用闭环积分分 离p i d 控制算法，控制系统框图如图4 5 所示： 图4 5测试控制系统框图 硕士学位论文 第四章计算机控制系统 如果能够准确地描述被控对象的模型，设置控制系统的最优性能指标后， 通过分析和计算可以求得系统最优控制规律，精确地确定p i d 参数“1 ，但在工 程实际中，往往被控对象是非常复杂或数学模型不确定的，因此，在本系统中 p i d 参数的选择采用经验试凑法，其基本原则是：被测元件的输出主要决定于 施加在元件上的电压，在单相调压器，大电流变压器或升压变压器满负荷工作 时，这些器件可以近视看成阻性负载，在调压工程中起主要作用的是三相调压 电动机，其传递函数为： g ( s ) = 再丽k i o ”2 n ( 4 - 3 0 ) 在p i d 控制参数中，比例系数k ，大，会使系统动作灵敏，运行速度加快， 但容易引起系统的不稳定，k ，小，会降低系统响应速度。同样，积分时间常数 正、微分时间常数的取值也直接影响了系统的性能，在设置系统采样时间远 小于系统纯滞后时间条件下，本设计采用如下方法设置p i d 参数： 首先系统去掉数字控制器的积分控制作用和微分控制作用，只采用比例 调节环节来确定系统的震荡周期瓦和临界比例系数k 。，由计算机自动 控制比例系数k ，并逐渐增加k 直到系统发生震荡，这时的k ，即 为k s ； 取k v = 0 6 k s ： 取l = o 5 瓦 ； 取= 0 1 2 5 瓦。 再根据实际p i d 控制的结果修改参数。采用这种方法在实际中可以取得较 好的控制效果。 4 2 4 电压控制 测试系统主要通过调节单相感应调压器的输出电压来实现测试大功率变流 器件的目的，调节单相感应调压器的输出电压依靠调压器上的三相异步电动机 硕士学位论文第四章计算机控制系统 的正转( 升压) 、及转( 降址) 。系统分别以2 秒钟、1 秒钟一个控制周别，根 据p i d 控制器输出的u ( k ) 和一系数d 的比值确定在控制周期三相异步电动机动 作时间。 碌= 警瓦 ( 4 - 3 1 ) 式中：一三相异步电动机动作时间： d 一常量系数，其值小于u ( k 1 的饱和值； 瓦一一系统控制周期( 2 秒、1 秒) 。 当测试值小于目标值的7 5 时，系统控制周期为2 秒，当测试值大于目标 值的7 5 1 t ； ，系统控制周期为1 秒。 在测过程中，系统不断计算被测元件上的哆f 和，当：i